| 新型水环境修复材料——水凝胶吸附材料的合成策略与性能研究 | |
郑易安
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| Subtype | 理学博士 |
| Thesis Advisor | 王爱勤 |
| 2013-05-23 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 水凝胶 三维网络 壳聚糖 木棉纤维 吸附 Hydrogel Three-dimensional Networks Chitosan Kapok Fiber Adsorption |
| Abstract | 近年来，具有三维网络结构的水凝胶因具有吸附速率快和吸附容量高等优点，在水环境修复方面成为研究热点。本论文在综述前人工作的基础上，重点聚焦于水凝胶吸附材料的合成策略与性能评价，主要进行了以下几个方面具有创新性的研究工作： 以响应曲面法对传统水凝胶制备过程中的关键因素进行了优化，根据优化+结果开发出一种新型的水凝胶吸附材料，用于水体中氨氮(NH4+ )的吸附；以壳聚糖(CTS)为接枝骨架，在氮气氛条件下实现了水凝胶吸附材料从凝胶状到粒状+产品工艺的突破，考察了所得吸附剂对 Ni(II)和 NH4+ 的吸附效果；以 CTS为接枝骨架，在室温空气氛条件下得到粒状水凝胶吸附材料，通过对水凝胶的分子结构进行调整和修饰，在保证吸附量的同时，降低了水凝胶在吸附过程中的溶胀度，提高了对金属离子的选择吸附性；以水凝胶的三维网络作为微纳反应空间，负载纳米银粒子，以亚甲基蓝(MB)和刚果红(CR)作为模型分子，对水体中的有机染料进行催化还原；利用天然木棉纤维的结构导向作用，设计发展了一种新型的吸附剂材料，用于水体中三种磺酸根染料和六价铬的吸附去除。 取得的主要研究结果如下： 1.以丙烯酸(AA)、聚乙烯醇(PVA)和电气石(Tm)为原料，以响应曲面法对水凝胶制备过程中的三因素进行了优化。以 NH4+的吸附量作为考察指标，优化的三因素分别为丙烯酸的中和度(ND)，PVA:AA 和 Tm:AA。结果显示，当ND=70%，PVA:AA=0.0833 和 Tm:AA=0.5 时，所得水凝胶对 NH4+具有较优的吸附效果。此外，所优选的水凝胶展现了相互连接的三维网络结构，对 NH4+有快的吸附速率和高的吸附容量，且在 pH 3.0~8.0 之间均呈现较高的吸附量。水凝胶吸附剂可以强酸(HCl)和强碱(NaOH)溶液进行再生，且在再生过程中性能稳定。 2.以 CTS 为接枝骨架，AA 为单体，通过绿色的水溶液聚合工艺，在氮气氛条件下制备出粒状的壳聚糖接枝聚丙烯酸(CTS-g-PAA)水凝胶，并用于水体中Ni(II)的吸附回收。结果显示，CTS-g-PAA对 Ni(II)的最大吸附量为161.80 mg/g，且在 pH 3~7 范围内的吸附量几乎不变。即使在竞争吸附条件下，CTS-g-PAA对 Ni(II)的吸附量仍然可达54.47 mg/g。之后，向上述水凝胶中引入适量无机组分蛭(UVMT)，制备出粒状的有机-无机复合水凝胶(CTS-g-PAA/UVMT)，并考察了对 NH4+的吸附效果。吸附实验表明，在 pH 4.0~8.0 范围内，CTS-g-PAA/UVMT 对 NH4+ 的吸附可在几分钟内达到最大，且在氮磷共存体系+中可以选择性吸附 NH4+，表明吸附过程主要由静电引力控制。连续吸附-脱附实验显示，CTS-g-PAA/UVMT 对 NH4+有高的吸附和脱附效率，可多次用于水体中 NH4+ 的吸附。 3.以 CTS 为接枝骨架，AA为单体，通过绿色的水溶液聚合工艺，以 Fenton试剂为引发剂，在室温空气氛条件下制备出粒状的水凝胶。为了解决水凝胶溶胀率高的问题，采取两种方案：一种是引入共聚单体烯丙基硫脲(AT)；另一种是在水凝胶合成后，再经溶胀-分散-界面聚合方式，以少量聚苯胺(PAN)对水凝胶进行修饰。在对合成的水凝胶结构表征基础上，系统考察了两种类型的吸附材料对溶液中重金属离子 Cu(II)和 Ni(II)的吸附效果。结果显示，AT 的引入在保证吸附量的前提下，会大大降低吸附过程中的溶胀度；以 0.01 mol/L HCl 溶液作为脱附剂可实现水凝胶的再生，尤其有利于对 Cu(II)的多次吸附。经 PAN修饰之后，不仅会导致溶胀度的急剧降低，且在二元 Cu-Ni 和四元 Cu-Ni-Cr-Zn体系中，所得复合水凝胶对 Cu(II)的选择吸附系数提高 6~7 倍。 4.以 CTS-g-PAA 的三维网络作为尺寸限域的微纳反应器，经 AgNO3 原位还原，以Al3+作为表面交联剂，制备了一种新型的负载 Ag 纳米粒子水凝胶，考察了这种 Ag-水凝胶对 MB 和 CR 的催化还原效果。结果显示，30 min 内，20 mg/L的 MB和 CR 溶液可被 Ag-水凝胶完全催化还原，且催化效果与染料溶液的 pH和离子强度无关。经十次催化性能评价，Ag-水凝胶的催化还原效果并没有观察到显著降低。 5.在前面水凝胶吸附材料研究基础上，进一步扩展研究了基于木棉纤维的吸附材料。木棉纤维具有薄壁大中空的结构，可作为结构导向模板，使苯胺在其表面进行氧化聚合，得到木棉纤维结构导向的聚苯胺(KF-O-PAN)新型吸附材料，并用于水体中三种磺酸根染料 CR、橙黄 II (OG-II)和橙黄 G (OG-G)以及Cr(VI)的吸附去除。结果显示，KF-O-PAN对三种磺酸根染料的吸附可在 4 h 达到平衡，从 Langmuir 方程计算出的最大吸附量分别为 40.82 mg/g (CR)、188.7 mg/g (OG-II)和 192.3 mg/g (OG-G)。尽管离子强度对吸附有一定影响，但在 pH≤ 8 时 KF-O-PAN 对三种磺酸根染料的吸附量均较高(CR 除外)。NaOH 溶液可以有效脱附三种染料，脱附后的 KF-O-PAN可多次用于水体中磺酸根染料的吸附。对Cr(VI)的吸附结果表明，由于木棉纤维本身的大中空结构，KF-O-PAN对Cr(VI)的吸附速率加快。其它金属离子的存在对吸附量没有明显影响，因此 KF-O-PAN可在含多种金属离子的溶液中选择性吸附 Cr(VI)。 |
| Funding Project | 功能复合材料组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/5519 |
| Collection | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 郑易安. 新型水环境修复材料——水凝胶吸附材料的合成策略与性能研究[D]. 中国科学院大学,2013. |
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